Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach: Wissenschaft in Darmstadt … für eine nachhaltige Energieversorgung

Die sichere, wirtschaftliche und um­­welt­­­­verträgliche Energieversorgung ist für die Existenz und Fort­ent­wick­lung unserer Gesellschaft von zentraler Bedeu­tung. Die zukünftige Ent­wick­lung der Energie­­­­systeme stellt daher eine der wichtigsten technischen, gesell­­schaftlichen, wirtschaft­­­­lichen und poli­­tischen Heraus­for­de­run­gen dar, die nur in inter­­disziplinärer und enger Zusam­men­arbeit von Wissenschaft, Indus­trie und Politik erfolgreich bewältigt werden können. Angesichts der Kom­plexität dieser Heraus­­forderungen haben sich an der Tech­ni­schen Universität Darm­­stadt die in der Energieforschung tätigen Wissen­schaft­lerinnen und Wissen­schaft­ler zum TU Darmstadt Energy Center zusammengeschlossen. Durch die interdisziplinäre und interfakulta­tive Kooperation von Inge­­nieur-, Natur- und Geistes­wissen­­­schaften werden Forschung, Entwicklung sowie Gestal­­tung und Umsetzung zukunfts­­­weisen­der Energietechnologien in diesem Forschungs- und Kompetenz­zen­trum ge­­bündelt.

Zu den Aufgaben des TU Darmstadt Energy Center zählen auch die Ent­wick­lung und Verbesserung von Bewer­­tungs­maß­stäben und Management­strategien im Bereich der Energie­wirt­­schaft sowie der Experten­rat zur Fortentwicklung klas­­si­­scher Energie­technologien und erneuer­barer Ener­gien. Das TU Darmstadt Energy Center orientiert sich dabei an den Bedürf­nissen der Praxis und geht diese Heraus­for­der­ungen in enger Koope­ra­tion mit Unter­nehmen sowohl der energieerzeugenden als auch der energieverbrauchenden Industrie an.

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Die Beteiligung der Wirtschaft, aber auch der politischen und öffentlichen Ent­schei­­dungsträger, ist eine Voraus­setzung für den Erfolg des TU Darmstadt Energy Center. Daher wird dieses von dem gemeinnützigen Verein „Beirat des TU Darmstadt Energy Center e.V.“ mit Ent­­schei­­dungsträgern aus Wissen­schaft, Politik, Wirtschaft und Verwaltung fach­­lich begleitet. Zweck des Beirates ist die Förderung von Forschung und Lehre. Dazu zählen insbesondere die Unter­stützung wissenschaftlicher Kontakte zwischen Mitgliedern des Beirates, Wissen­­­­schaftlern, Forschungs­instituten und For­­schungs­­­ge­mein­­schaften, die Bereitstellung von Mitteln zur Aus­stat­tung des TU Darm­stadt Energy Center, die Bewilligung von Mitteln zur Durch­füh­rung von wissen­schaft­lichen Semi­naren und vergleichbaren Veran­­­­staltungen für Mitglieder des Beirates und Dritte sowie die Förderung der Umsetzung von For­schungs­ergeb­nissen in die Praxis und umgekehrt von Praxisfragen in konkret formulierte For­­schungsziele.

Ein Blick auf den Energieverbrauch zeigt, dass ein maßgebliches Energie­einspar­potenzial im energieeffizienten Betrieb von Gebäuden liegt. Nahezu die Hälfte des gesamten Energieverbrauchs geht in die Beheizung, Kühlung und in den Betrieb von Gebäuden. Durch energieeffizientes Bauen mit klugen Entwurfs- und Planungsentscheidungen können nicht nur Ressourcen sparsamer eingesetzt, sondern auch der Komfort gesteigert und die Dauerhaftigkeit von Gebäuden verbessert werden. Dabei tragen Gebäudeform und Gebäude­ausrichtung, Dämmung und Dichtung sowie eine energiesparende Gebäude­technik wesentlich zur Steuerung der Energieeffizienz bei.

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Welche Potenziale hier in der Weiter­entwicklung energieeffizienter Gebäude vorhanden sind, hat Professor Manfred Hegger vom Fach­bereich Architektur der TU Darmstadt mit seinem Team eindrucksvoll unter Beweis gestellt. Mit dem von ihm entwickelten, energieau­­tarken „Prototyp Wohnen 2015“ hat er 2007 den internationalen Wettbewerb „Solar Decathlon“ des U.S. Department of Energy gewonnen. Im Jahr 2009 wurde sein Team mit dem „surPLUShome“ erneut Sieger dieses Wettbewerbs.

Gebäude erfüllen alle Voraussetzungen zur Nutzung erneuerbarer Energie­quellen. Oberflächennahe Geothermie bietet als umwelt- und ressourcenschonende, erneuer­­bare Energie eine zukunftsweisende Alternative zu konventionellen Energiesystemen für die Gebäudetemperierung. Besonders bei Bürogebäuden ist die Kühlung energetisch aufwendig. Bei den mit Geo­ther­mie ausgestatteten Hochhäusern wird der Boden durch den Einsatz von Wärme­austauschern zur Speicherung von Wärme beziehungsweise Kälte genutzt.

Durch den wachsenden Anteil erneuerbarer Energien spielt die dezentrale Ener­­gieversorgung zukünftig eine immer größere Rolle. Hierzu bedarf es auch neuer Entwicklungen der elektrischen Energie­­übertragung und -verteilung sowie des Einsatzes intelligenter Systeme in Energie­­­versorgungsnetzen, damit sich die Energie­­erzeugung und -einspeisung gezielt am Bedarf orientieren lassen. Dieser Aufgabe widmen sich die Ingen­ieure des Fach­bereiches Elektrotechnik und Informa­tions­­technik an der TU Darm­stadt.

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In der Verbrennungstechnologie stehen die energetische Effizienz und die Minimierung des Schadstoffausstoßes im Mittelpunkt der Forschungen. Im Fach­­bereich Maschinenbau der TU Darmstadt werden von Ingenieuren der Energie- und Kraftwerkstechnik Ver­fah­­ren für die Entwicklung zukünftiger Brennkammern entwickelt. Mit laseroptischen Methoden lassen sich bei komplexen Verbrennungsprozessen hochgenau und berührungslos chemische Konzentrationen, Temperatur und Dichte von Strömungsfeldern messen.

Nachhaltige Energie­umwandlungs­tech­nologien stehen im Mittelpunkt der Forschungsaktivitäten des Fach­gebie­tes Energiesysteme und Energietechnik.

Hier werden derzeit die Abscheidung und Speicherung von CO2 aus fossil be­­feu­er­ten Kraftwerken mittels neuartiger Tech­­no­­logien, dem Carbonate Looping, einer Absorption von CO2 durch Kalk­stein, und dem Chemical Looping, bei dem Sauer­stoff mittels eines Metall­oxyds von der Luft zum Brennstoff be­­fördert wird, unter­­sucht.

Materialwissenschaftler, Chemiker und Ingenieure der TU Darmstadt arbeiten gemeinsam an der Erzeugung und Nutzung von Kraftstoffen aus erneuerbaren Ener­­giequellen. Dabei soll zu­­künftig Wasser­­stoff aus regenerativen Energiequellen wie Sonne und Wind über Elektrizität und nachfolgende Wasserelektrolyse gewonnen werden, sowie aus Biomasse durch Vergasung und Konvertierung.

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Um Sonnenlicht direkt in elektrische Energie zu wandeln, werden Solarzellen verwendet. In Deutschland lassen sich so pro Kilowatt maximaler Leistung installierter Solarzelle jährlich durch­schnitt­­lich etwa 1.000 Kilowattstunden (kWh) Strom erzeugen. Damit lässt sich mit handelsüblichen Solarzellen auf rund 27 Quadratmetern der Stromverbrauch einer kleinen Familie (etwa 4.000 Kilo­wattstunden) decken. Jedoch liegt der Preis für Strom, der durch Solarzellen erzeugt wird, noch deutlich über dem konventioneller Energieerzeugung. An dieser Stelle setzt die Forschung der Materialwissenschaftler des Fach­ge­bie­tes Oberflächenforschung der TU Darmstadt an. In enger Zusammenarbeit mit Modul­­­­herstellern wird die Funktion der Grenz­­­flächen zwischen verschiedenen Halb­leiter-Materialien erforscht, die in Dünn­­schichtsolarzellen eingesetzt werden, um so die Wirkungsgrade zu er­­hö­­hen und damit einen Beitrag zu verbesserten und kostengünstigeren Produktions­ver­­­fahren zu leisten.

Mit der breiten im TU Darmstadt Energy Center gebündelten Kompetenz wird die Technische Universität Darmstadt den Masterstudiengang „Energy Science and Engineering“ etablieren. Zu den grundlegenden Lehrveranstaltungen zählen Energietechnik im Bauwesen und Maschi­nenbau, Elektro- und Infor­mations­tech­nik in der Energietechnik, materialwissenschaftliche Grundlagen, physikalische und chemische Grundlagen der Energie­­­­wandlung, Simulation und Optimierung in der Energietechnik, erneuerbare Ener­­gien, Energieszenarien und Klimaschutz sowie rechts-, wirtschafts- und sozialwissenschaftliche Aspekte von Energie­versorgung und Energieverbrauch. Neben dem interdisziplinären Kursprogramm stellen die frühe Einbindung der Stu­die­renden in die aktuelle Forschung, die Vermittlung von Schlüssel­quali­fika­tio­nen und ein umfassendes Mentoren- und Betreuungskonzept wesentliche Ele­mente der Ausbildung dar. Mit diesem innovativen Studiengang, der in dieser Form in Deutschland einzigartig ist, gewinnen Darmstadt und die Region Rhein-Main ein zusätzliches Potenzial an hervorragend ausgebildeten Fachkräften im zukunftsorientierten Wissenschafts- und Wirt­schafts­­zweig Energie.

Porträt-KatzenbachDer Autor studierte Bauingenieurwesen an der TU Darmstadt. 1981 wurde er mit Auszeichnung promoviert. Seit 1993 ist er Universitätsprofessor sowie Direktor des Instituts und der Versuchsanstalt für Geo­­technik an der TU Darmstadt. Seit 2007 ist Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Direktor des TU Darmstadt Energy Center.